موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن (hcci) ایده ای نوین در موتورهای احتراق داخلی برای کاهش مصرف سوخت و آلاینده های خروجی به شمار می روند. هرچند مزیت های اصلی این گونه موتورها در آزمایش ها و تحقیقات متعدد ثابت شده است اما وجود مشکلاتی نظیر نرخ بالای آزادسازی انرژی، کنترل زمان شروع احتراق و بازه محدود عملکردی این موتورها سبب شده است تا همچنان موانعی در راه تجاری سازی آن وجود داشته باشد. روش های متعددی نظیر استفاده از گازهای برگشتی، سوخت های ترکیبی، لایه بندی سوخت و ... برای رفع این مشکلات پیشنهاد شده است. هدف اصلی این رساله مدلسازی ترمودینامیکی موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن به منظور بررسی عملکرد موتور در شرایط مختلف و همچنین کنترل فاز احتراق با استفاده از سوخت های ترکیبی است. برای این منظورابتدا روش های مختلف مدلسازی موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن مرور شده و سپس با توجه به اهداف رساله، دو شیوه مدلسازی صفربعدی تک و چند ناحیه ای انتخاب شده است. روش دقیق مدلسازی و معادلات حاکم بر این مدل ها با ذکر جزئیات ارائه شده است. برای انجام مطالعات، سوخت های متان خالص، گاز طبیعی، دی متیل اتر و هیدروژن انتخاب شده است. برای شبیه سازی دقیق فرایند احتراق، سینتیک مفصل شیمیایی احتراق این سوخت ها در مدل گنجانده شده است. در مرحله صحه گذاری به صورت بسیار مفصل، سوخت های انتخاب شده در موتورها با شرایط مختلف کاری بررسی شده است تا ضمن اطمینان از دقت مدل های ایجاد شده بتوان به مقایسه مدل های تک و چند ناحیه ای پرداخت. در انجام فرایندهای شبیه سازی، ابتدا به ارائه یک شیوه تعیین زمان شروع احتراق برای سوخت گاز طبیعی به کمک سینتیک مفصل و رادیکال های موثر پرداخته شده است و سپس تأثیر پارامترهایی نظیر دمای ورودی، فشار ورودی و دور موتور بر عملکرد یک موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن مورد بررسی قرار گرفته است. برای بررسی اثر ترکیب سوخت بر عملکرد موتور، ابتدا ترکیب های مختلف گاز طبیعی انتخاب شده و عملکرد موتور با استفاده از این سوخت های متنوع به طور مفصل مقایسه شده است. سپس استفاده از فرمالدهید به عنوان افزودنی سوخت گاز طبیعی مطالعه شده و در مرحله بعد، با انتخاب سوخت دی متیل اتر، ابتدا روند احتراق این سوخت و آزادسازی انرژی دو مرحله ای آن مورد بررسی قرار گرفته و سپس نتایج حاصل از ترکیب های مختلف این سوخت با متان ارائه شده است. در مرحله انتهایی نیز به بررسی اثر ترکیب متان و هیدروژن پرداخته شده و عملکرد موتور به همراه میزان تولید آلاینده های خروجی مورد مطالعه قرار گرفته است. برای توسعه مدل از جدیدترین شیوه های پیکره بندی و فرضیات حاکم برای مدل های صفر بعدی استفاده شده است. مقایسه روش های مختلف مدلسازی انتقال حرارت و انتخاب مدل مناسب تا کنون بدین صورت انجام نشده است. همچنین معرفی روشی نوین برای تعیین کمی زمان شروع احتراق سوخت گاز طبیعی و توسعه ایده بررسی اثر سوخت های ترکیبی بر عملکرد موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن به وسیله مدلسازی عددی تأثیر ترکیب های مختلف گاز طبیعی بر عملکرد موتور، ارائه رابطه ای بین توان موتور و عدد وب سوخت و همچنین اضافه کردن فرمالدهید به عنوان افزودنی به گاز طبیعی از دیگر نوآوری های این تحقیق به شمار می رود. نتایج نشان می دهد مدل تک ناحیه ای تا حد مناسبی قابلیت پیش بینی روند عملکرد موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن را دارد. این مدل قادر است با دقت مناسبی زمان شروع احتراق را پیش بینی کند. مدل چند ناحیه ای با دقت بسیار مناسبی می تواند روند تغییرات فشار در موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن را تعیین کند. برای مدلسازی انتقال حرارت در این موتورها باید از روش های هوهنبرگ یا آسانیس استفاده نمود. می توان از تغییرات غلظت رادیکال هیدروکسیل به عنوان ابزاری برای تعیین کمی زمان شروع احتراق استفاده کرد. ترکیب گاز طبیعی بر روی عملکرد موتور تأثیر می گذارد. از آنجا که ترکیب های گاز طبیعی با محتوای اتان و پروپان بیشتر، زودتر محترق می شوند، مقدار بیشینه فشار برای آنها بیشتر خواهد بود. افزودن فرمالدهید به سوخت گاز طبیعی با تغییر زمان شروع احتراق سبب تغییر محدوده عملکردی آن می شود به گونه ای که می توان در دماهای ورودی پایین تر نیز به عملکرد مطلوبی رسید. در شرایطی که برای احتراق متان خالص مهیا نیست و سوخت متان خالص محترق نمی شود، با اضافه نمودن مقداری دی متیل اتر به ترکیب سوخت، می توان احتراق را تشکیل داد. با بیشتر نمودن کسر حجمی دی متیل اتر، هر چند تغییر چندانی در زمان شروع احتراق روی نمی دهد اما بیشینه فشار درون سیلندر افزایش چشمگیری می یابد. افزایش فشار ناشی از افزایش کسر حجمی دی متیل اتر به طور مستقیم منجر به افزایش کار و توان موتور می شود. نرخ بالای احتراق هیدروژن سبب می شود تا علاوه بر احتراق بسیار سریع و نرخ بالای افزایش فشار، دمای بسیار زیادی نیز در داخل سیلندر بوجود آید اما برای کنترل فاز احتراق و رسیدن به روند مطلوب تغییرات فشار می توان از هیدروژن استفاده نمود.

تولید آب به عنوان یکی از محصولات واکنش هیدروژن و اکسیژن در پیل سوختی و ایجاد مشکلاتی از قبیل کاهش راندمان عملکرد، نیاز به استفاده از جداساز آب را در این منبع تولید انرژی الزامی می کند. هدف این پایان نامه طراحی و شبیه سازی جداساز آب داخلی برای یک نمونه پیل سوختی غشاء پلیمری است. این جداساز با قرارگرفتن در بلوک پیل سوختی به عنوان یکی از سلول های آن، علاوه بر کاهش حجم کلی بلوک، مشکلات مربوط به جداساز آب خارجی را نیز مرتفع می نماید. طراحی جداساز از نظر اندازه با توجه به ابعاد سلول های یک پیل سوختی خاص انجام گرفته که دما و فشار عملکردی آن به ترتیب 80 درجه سانتی گراد و 101 کیلوپاسکال بوده و جریان دوفازی ورودی به جداساز حاوی 21/1 گرم بر ثانیه (55 slpm) گاز اکسیژن و 23/6 گرم بر ثانیه آب مایع است. شبیه سازی با استفاده از یک نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی و به کارگیری مدل حجم سیال صورت گرفته است. با توجه به بالا بودن هزینه زمانی و سخت افزاری حل مسأله درابعاد واقعی، از آنالیز ابعادی برای کوچک کردن مدل با مقیاس 1:5 استفاده شده است و داده ها طبق این مقیاس تغییر داده شده اند. ارتفاع و عرض جداساز مطابق با ابعاد بلوک پیل سوختی به صورت مقید برابر 200 میلی متر در 200 میلی متر است. سه ضخامت 3، 6 و 10 میلی متر مورد شبیه سازی قرار گرفت و نتایج نشان داد ضخامت های 6 و 10 میلی متر شرایط طراحی جداساز را ارضا می کند. بررسی اثر دبی گاز برای این ضخامت در مقادیر 35، 45 و 55 slpm صورت گرفت و نشان داده شد می توان با افزودن مانع در ضخامت 3 میلی متر نیز به جواب مطلوب دست یافت. نتایج شبیه سازی این پایان نامه به دو نمونه نتایج آزمایشگاهی صحه گذاری شده است.

موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن (hcci) ایده ای نوین در موتورهای احتراق داخلی برای کاهش مصرف سوخت و آلاینده های خروجی به شمار می روند. هدف اصلی این رساله مدلسازی ترمودینامیکی موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن با سوخت هیدروژن به منظور بررسی عملکرد موتور در شرایط مختلف است. ابتدا موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن و سوخت هیدروژن بطور کامل معرفی شده و خصوصیات، مزایا و معایب آنها عنوان شده است. مدلسازی ترمودینامیکی تک ناحیه ای برای شبیه سازی فرآیند احتراق بکار رفته است، روش دقیق مدلسازی تک ناحیه ای و معادلات حاکم بر این مدل با ذکر جزئیات ارائه گردیده است. برای مدل سازی انتقال حرارت در این موتور نیز، روش وشنی انتخاب شده است. برای صحه گذاری نتایج مدل تک ناحیه ای ایجاد شده، از داده های تجربی موجود در مراجع استفاده شده است. مدل تک ناحیه ای تا حد مناسبی قابلیت پیش بینی روند عملکرد موتور hcci را دارد. زمان شروع احتراق با دقت مناسبی تعیین شده اما مقدار بیشینه فشار، زیاد تر از حد واقعی محاسبه می شود. می توان از تغییرات غلظت رادیکال هیدروکسیل به عنوان ابزاری برای تعیین کمی زمان شروع احتراق استفاده کرد. تأثیر پارامترهایی نظیر دمای ورودی، فشار ورودی، نسبت هم ارزی و دور موتور بر عملکرد یک موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن هیدروژنی مورد بررسی قرار گرفته است. با افزایش دمای ورودی، فشار وروی و نسبت هم ارزی و کاهش دور موتور، دما و فشار درون سیلندر، انتشار اکسیدهای نیتروژن افزایش پیدا می کند.

موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن به عنوان نسلی جدید از موتورهای احتراق داخلی شناخته می شوند که با عرضه مناسب بازده و توان، توانسته اند مقدار آلاینده های nox و مصرف سوخت را تا حد آشکاری کاهش دهند. در کنار این مزایا، مشکلاتی از قبیل کنترل زمان خوداشتعالی، کنترل احتراق در دورهای مختلف و همچنین سر و صدای ناشی از بالا بودن شدت احتراق به عنوان مانعی بزرگ در تجاری سازی آن شناخته می شود. در پایان نامه حاضر از روش سه بعدی cfd کوپل با سینیتیک مفصل شیمیایی استفاده شده است تا اثرات شیمیایی سوخت و فیزیک توربولانس بر یکدیگر مورد بررسی قرار گیرند. برای این کار از نرم افزار تجاری avl fire استفاده شد که جهت درنظر گرفتن اثرات شیمیایی، کتابخانه chemkin برای آن معرفی شده است. جهت صحه گذاری مدل از نتایج تجربی موجود بر روی موتور caterpillar در دو شرایط کاری مختلف استفاده شده است که نتایج نشان می دهند با توجه به فرضیات صورت گرفته مدل با خطایی در حدود 5% نتایج تجربی را دنبال می کند. در ابتدا با تغییرات دمای اولیه، فشار اولیه، نسبت هم ارزی و سرعت موتور به بررسی شرایط عملکردی موتور و زمان شروع احتراق تحت این تغییرات پرداخته شد سپس egr را به عنوان راهکاری جهت کاهش مقدار دمای محفظه احتراق و مقدار nox خروجی معرفی گردید. همچنین جهت کنترل کوبش و کاهش آن، سوخت دی متیل اتر به عنوان سوخت دوم در حالت ترکیبی با متان مدنظر قرار گرفت. درنظر گرفتن دی متیل اتر به عنوان 20% مولی سوخت، مناسب ترین شرایط به نظر می رسد که افزودن بیشتر آن، احتراق را در مرحله تراکم پیش انداخته که موجب تاثیر منفی در پارامترهای عملکردی می گردد. همچنین پس از بررسی احتراق در شرایط مختلف اولیه جهت معرفی پارامترهای کنترلی، به بررسی ca5، ca10، ca50، ca90 پرداخته شد و با تعیین زمان دستیابی به بیشینه نرخ فشار و گونه oh مشاهده شد که رابطه مناسبی در تخمین ca50 توسط این دو پارامتر وجود دارد که این نزدیکی بین بیشینه نرخ فشار و ca50 محسوس تر می باشد.